Welche Faktoren sollte der Leistungselektronikingenieur bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für solch anspruchsvolle Anwendungen berücksichtigen?

Gemeinsamer Grundrahmen für Unterwasseranwendungen mit ROV-Anschlüssen (Quelle: PRBX/Shutterstock/Vismar UK)

Elektrische Architektur für Unterwasseranwendungen:
Üblicherweise werden Anlagen am Meeresboden über Hochspannungskabel von Land oder einer Plattform zu schwimmenden oder untergetauchten Umspannwerken mit Strom versorgt. Dort wird die Spannung lokal auf Wechsel- oder Gleichspannung im Bereich von 300 bis 900 V AC bzw. 400 bis 1500 V DC reduziert, um die angeschlossenen Geräte zu versorgen und schließlich die für die Endanwendung benötigten Gleichspannungen zu erreichen. Dieses Vorgehen ist Standard, wie es auch bei Stromnetzen und elektronischen Geräten in landseitigen Industrieanlagen üblich ist. Befindet sich die Endanlage jedoch auf dem Meeresboden und umfasst Öl-, Gas- oder andere sensible Anlagen, sind die Anforderungen an Qualität und Sicherheit deutlich höher.

Das Unterwasser-Stromnetz umfasst Komponenten wie Schalter, Abwärtstransformatoren, Stromverteilungsanlagen sowie Überwachungs- und Steuerungseinrichtungen zur Versorgung verschiedener Geräte, darunter Pumpen, Kompressoren, Wassereinspritzsysteme und Sicherheitssteuerungen. Aus Gründen der Effizienz und Sicherheit können die elektrischen Komponenten auf einem gemeinsamen Grundrahmen am Meeresboden installiert (Abbildung 1) und mittels anwendungsspezifischer Steckverbinder miteinander verbunden werden. Diese Steckverbinder sind für Niederspannung (Signalisierung) und Hochspannung (Stromversorgung) geeignet und widerstehen hydrostatischem Druck sowie Unterwasserverbindungen. Um die Sicherheit zu gewährleisten und einen unterbrechungsfreien Betrieb sicherzustellen, ist das lokale Netzwerk durch unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) abgesichert, die sich ebenfalls am Meeresboden befinden können.
Alle Netzwerkkomponenten sind rückholbar und für den Normalbetrieb sowie für Störfälle ausgelegt und gebaut. Da sie jedoch häufig in Tiefen unterhalb der menschlichen Arbeitsgrenze eingesetzt werden, kann der Einsatz von ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) erforderlich sein. Entsprechend wurden sie konstruiert.

 Netzteil, das für den Einbau in einen Druckzylinder ausgelegt ist (Bildnachweis: PRBX/VB120-5)

Was ist das Besondere an Unterwasser-Energiequellen?

Unterwasser-Stromversorgungen werden in zwei Hauptkategorien unterteilt:
• Containerisierte, autarke Stromversorgungseinheiten (SC-PSUs).
SC-PSUs sind für sehr hohe Drücke ausgelegt. Sie verfügen über Tiefwasseranschlüsse und ein abnehmbares Gehäuse, das für den Einsatz mit ROVs (Remotely Operated Vehicles) konzipiert ist. Die Entwicklung von SC-PSUs erfordert umfassende Erfahrung in der Konstruktion von Tiefseeanlagen und sie werden häufig von denselben Unternehmen entwickelt und gefertigt, die auch Unterwassertransformatoren und -umspannwerke liefern.

• Integrierte Stromversorgungseinheit (E-PSU):
E-PSUs sind in die endgültige Druckanlage integriert und weder hohem Druck ausgesetzt noch kommen sie mit dem flüssigen Element in Kontakt. E-PSUs ähneln eher industriellen Stromversorgungen, zeichnen sich jedoch durch extrem hohe Zuverlässigkeit und speziell auf die Anforderungen von Unterwasseranlagen zugeschnittene Funktionen aus.

Integrierte Stromversorgungseinheit (E-PSU) im Überblick.
Entwickler von Leistungselektronik für Unterwasser-Stromversorgungen beschreiben ihre Arbeit oft so: „Die Entwicklung einer hochrobusten Stromversorgung mit extremer Zuverlässigkeit und intelligenter Funktionalität für eine der extremsten Umgebungen der Erde, wo Ausfälle inakzeptabel sind.“ Dies fasst die Herausforderungen gut zusammen, denen sich Entwickler bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für die Tiefsee stellen müssen, die meist nur mit ROVs (Remotely Operated Vehicles) zugänglich ist.
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist das Spektrum der Unterwasseranwendungen breit gefächert, und je nach Anwendungsbereich der Stromversorgung gelten unterschiedliche Standards und Best Practices. Allen Anwendungen gemeinsam ist jedoch der Ansatz, Risikoanalysen durchzuführen, um die Technologie und die Betriebssicherheit angemessen zu bewerten.
In Zusammenarbeit mit dem Gerätehersteller ist die Berechnung der elektrischen Last eine der ersten Aufgaben bei der Auslegung des Stromversorgungssystems. Ingenieure müssen die elektrische Last aller stromverbrauchenden Unterwasserkomponenten abschätzen, um eine geeignete Stromquelle auszuwählen. Jede lokale Last kann in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, z. B. lebenswichtig, essenziell und nicht essenziell:
• Lebenswichtig: Gefährdet der Stromausfall die Sicherheit des Personals oder verursacht er schwere Schäden an der Plattform/dem Schiff/der Ausrüstung am Meeresboden?
• Essenziell: Führt der Stromausfall zu einer Beeinträchtigung oder einem Ausfall der Öl-/Gasproduktion oder, im Falle des transkontinentalen Kabels, der Kommunikation?
• Nicht essenziell: Beeinträchtigt der Ausfall weder die Sicherheit noch die Produktion?
Abhängig von der Endgerätausrüstung und dem Risikograd können verschiedene Technologien in Betracht gezogen werden, wie z. B. eine redundante Stromversorgung, automatischer Lastausgleich oder eine Notstromversorgung, die auf eine USV umschaltet. In jedem Fall müssen die Stromquellen mit dem zentralen Überwachungssystem kommunizieren können, wo durch modernste digitale Steuerungstechnik und prädiktive Algorithmen ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährleistet wird.
Wenn bestimmte Teile der Unterwasser-Öl- und -Gasausrüstung von rein hydraulischem auf hybriden Betrieb umgestellt werden – z. B. elektronisch überwachte und gesteuerte Motorventile –, müssen die Stromversorgungen in den Druckzylinder integriert werden. Bei der Entwicklung von Stromversorgungen für Übertragungskabel, wie z. B. Signalverstärker, ist der verfügbare Platz entscheidend. Die Entwickler müssen daher das verfügbare Volumen berücksichtigen, um die Stromversorgung optimal an die jeweilige Anwendung anzupassen (Abbildung 02).
Aufgrund der Kompaktheit und des hohen Integrationsgrades ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) innerhalb des integrierten Systems ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Stromversorgungen für Unterwasseranwendungen. Umfangreiche Interoperabilitätstests werden während der finalen Geräteentwicklung durchgeführt. Dies kann unter Umständen die Wahl einer anderen Topologie, z. B. einer Mehrphasen-Topologie mit aktiver Phasenverschiebung, erfordern, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren.
In Unterwasseranwendungen sind Lebensdauer und Zuverlässigkeit von höchster Bedeutung. Stromversorgungen müssen mit einer hohen Sicherheitsmarge und minimaler elektrischer und thermischer Belastung der einzelnen Komponenten ausgelegt sein (Abbildung 03). Die Komponentenauswahl ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung und kann die Wahl der Topologie und der Fertigungsmethoden beeinflussen. Ein Beispiel hierfür ist die Auswahl geeigneter Schalttransistoren in Verbindung mit einer Hauptplatine, die für eine optimale Wärmeleitung ausgelegt ist.

Designüberlegungen für unterschiedliche Standards.
Die meisten Entwickler von Stromversorgungen sind mit gängigen Standards für industrielle, medizinische, Transport- oder Verteidigungsanwendungen vertraut. Bei spezifischen Bereichen wie der Unterwasser-Öl- und -Gasförderung müssen jedoch spezifische Standards, beispielsweise die des American Petroleum Institute (API), berücksichtigt werden. Wie Abbildung 4 zeigt, deckt der Standard verschiedene Bereiche und Stromversorgungen ab, um die Anforderungen unterschiedlicher Abschnitte des Standards für Unterwasser-Produktions- und -Verarbeitungssysteme (API 17F) zu erfüllen. Dieser Standard umfasst spezifische Prüfungen sowie Kommunikationsprotokolle.
Im Hinblick auf Unterwassersteckverbinder werden zwei Typen nach ISO 13628 aufgeführt. Diese legen allgemeine Anforderungen und globale Empfehlungen für die Entwicklung kompletter Unterwasser-Produktionssysteme fest – von der Entwurfsphase bis hin zur Stilllegung und dem Rückbau. Dieser Standard gilt nicht nur für Steckverbinder, sondern wird häufig als Ergänzung zum API verwendet.

Beispiele für AMI- und ISO-Normen, die für Unterwasser-Öl- und Gasanwendungen gelten (Bildnachweis: PRBX)

Nachhaltige Energie für Unterwasseranwendungen.
Die meisten Unterwasseranwendungen werden vom Festland über Langstrecken-Stromkabel oder von einer Plattform über Hochspannungskabel, oft 10 bis 100 km lang, mit Strom versorgt. Viele Anwendungen erfordern jedoch dezentrale Energielösungen. Typischerweise kann ein Schiff oder eine schwimmende Plattform mit herkömmlichen Stromgeneratoren über dem Ölfeld positioniert werden, was jedoch aus Umwelt- und Nachhaltigkeitsgründen nicht optimal ist. Daher sucht die Unterwassertechnik-Community nach alternativen Optionen.
Unter den vielen Projekten weltweit zählt „Erneuerbare Energien für die Unterwasserversorgung“ (RSP) zu den interessantesten und vielversprechendsten. Es befasst sich mit der Frage: Wie lassen sich grüne Technologien kombinieren, um Unterwasseranlagen zuverlässig und kontinuierlich mit CO₂-armer Energie und Kommunikation zu versorgen und so eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Versorgungskabeln zu bieten? Das schottische Unternehmen Mocean Energy, ein Pionier im Bereich Meeresenergie (Entwickler von Blue X, einem 20 Meter langen, 38 Tonnen schweren und 10 kW starken Wellenenergiekonverter (Abbildung 5)), und ein Partnernetzwerk, spezialisiert auf Unterwasser-Energiespeicherung und -management, haben ein Geschäftsmodell entwickelt, das Wellenenergie, Solarenergie und Energiespeicherung kombiniert, um Unterwasseranlagen für Öl- und Gasprojekte mit Strom zu versorgen (Abbildung 6). Dies ist ein gutes Beispiel dafür, dass Wellenenergie in Kombination mit Solar- und Batterietechnologien eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu teuren Versorgungskabeln für Unterwasseranwendungen darstellt.

Der Blue X Wellenenergiekonverter (WEC) von Mocean Energy - (Bildnachweis: PRBX / Mit freundlicher Genehmigung von Mocean Energy - Colin Keldie - EMEC)

Zusammenfassend lässt sich sagen:
Unterwasser-Leistungselektronik gilt oft als Nischenbereich, doch für Entwickler von Tiefsee-Energielösungen bietet sie eine fantastische Gelegenheit, ein faszinierendes Anwendungsspektrum zu erkunden, das fortschrittliche Technologie, höchste Zuverlässigkeit und echte Innovation erfordert. In Kombination mit neuen Ideen wie erneuerbarer Energie für die Unterwasser-Stromversorgung (RSP) macht dies unsere Arbeit unglaublich spannend und motivierend und erweitert die Grenzen unserer Stromversorgungen für noch tiefere Erkundungen.

Der Wellenenergiekonverter liefert erneuerbare Energie für eine Reihe von Unterwasseranwendungen - (Bildnachweis: PRBX / Mit freundlicher Genehmigung von Mocean Energy)

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Autor: Patrick Le Fèvre, PRBX, Marketing- und Kommunikationsdirektor

Referenzen:
POWERBOX (PRBX):
https://www.prbx.com/

Mocean Energy:
https://www.mocean.energy/

Amerikanisches Erdölinstitut (API)
https://www.api.org/

Internationale Organisation für Normung
https://www.iso.org/home.html